DE112016004729T5

DE112016004729T5 - Siliziumkarbidsubstrat

Info

Publication number: DE112016004729T5
Application number: DE112016004729.0T
Authority: DE
Inventors: Shunsaku UETA; Kyoko Okita; Shin Harada
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2018-07-12
Also published as: JP2017075074A; CN108026662B; JP6668674B2; WO2017064897A1; US20180254323A1; CN108026662A; US10319821B2

Abstract

Ein Siliziumkarbidsubstrat umfasst eine kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche und eine siliziumflächenseitige Hauptfläche. Das Siliziumkarbidsubstrat hat einen Durchmesser von 100 mm oder mehr und eine Dicke von 300 µm oder mehr. Ein Abweichungswinkel der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche relativ zu einer {0001}-Ebene ist kleiner als oder gleich 4°. Eine Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche ist höher als eine Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche, und eine Differenz in der Raman-Peak-Verschiebung zwischen der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche ist kleiner als oder gleich 0,2 cm.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Siliziumkarbidsubstrat.
Die vorliegende Anmeldung beruht auf und beansprucht die Priorität der am 15. Oktober 2015 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-203995 , deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Stand der Technik
Patentdokument 1 und Patentdokument 2 offenbaren Verfahren, um ein Basispulver auf einem Impfkristall zu sublimieren und zu rekristallisieren, indem das Basispulver und der Impfkristall in einem Tiegel angeordnet werden und der Tiegel durch Induktionsheizen erhitzt wird.

Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 9-48688
Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2013-35705

Zusammenfassung der Erfindung
Ein Halbleitersubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Siliziumkarbidsubstrat und umfasst eine kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche und eine siliziumflächenseitige Hauptfläche. Das Siliziumkarbidsubstrat hat eine 4H-Kristallstruktur und enthält Stickstoff. Das Kohlenstoffnitridsubstrat hat einen Durchmesser von 100 mm oder mehr und eine Dicke von 300 µm oder mehr. Ein Abweichungswinkel der kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche bezogen auf eine {0001}-Ebene ist kleiner als oder gleich 4°. Somit ist eine Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche höher als eine Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche, und eine Differenz zwischen einer Raman-Peak-Verschiebung der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und einer Raman-Peak-Verschiebung der siliziumflächenseitigen Hauptfläche ist kleiner als oder gleich 0,2 cm^-1.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Struktur eines Siliziumkarbidsubstrats darstellt;
2 zeigt eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel einer Struktur eines Siliziumkarbidsubstrats darstellt;
3 zeigt ein Flussdiagramm, das ein schematisches Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats darstellt;
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats; und
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats darstellt.

Art der Durchführung der Erfindung
[Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Zunächst werden im Nachfolgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgelistet und beschrieben. Ein Halbleitersubstrat der vorliegenden Erfindung ist ein Siliziumkarbidsubstrat, das eine kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche und eine siliziumflächenseitige Hauptfläche umfasst und eine 4H-Kristallstruktur aufweist. Ein Abweichungswinkel der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche relativ zu einer {0001}-Ebene ist kleiner als oder gleich 4°. Der Durchmesser ist größer als oder gleich 100 mm. Die Dicke ist größer als oder gleich 300 µm. Somit ist die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche höher als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche, und eine Differenz zwischen einer Raman-Peak-Verschiebung in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und einer Raman-Peak-Verschiebung in siliziumflächenseitigen Hauptfläche ist kleiner als oder gleich 0,2 cm^-1.
In den Siliziumkarbidsubstraten tritt hin und wieder ein Verzug auf. Diese Wölbung der Siliziumkarbidsubstrate verursacht verschiedene Probleme in den Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen unter Verwendung der Siliziumkarbidsubstrate. Genauer gesagt kann, wenn ein Substrat durch Anziehungskraft in einem Photolithographieprozess befestigt wird, die Wölbung beispielsweise eine Fehlfunktion bei der Anziehung verursachen. Die Erfinder untersuchten die Ursache und deren Auswirkungen, und erhielten die folgenden Ergebnisse.
Das Siliziumkarbidsubstrat kann beispielsweise durch Schneiden eines Siliziumkarbid-Einkristalls, der durch ein Sublimationsverfahren erhalten wird, hergestellt werden. Bei dem Sublimationsverfahren wächst der Siliziumkarbid-Einkristall unter einer Bedingung, bei der ein Temperaturgradient in einer Wachstumsrichtung vorhanden ist. Genauer gesagt ist in dem Siliziumkarbid-Einkristall, der durch das Sublimationsverfahren gewachsen wird, eine Wachstumstemperatur in einem später gewachsenen Bereich höher als eine Wachstumstemperatur in einem vorher gewachsenen Bereich. Darüber hinaus wird beim Aufwachsen der 4H-Struktur von Siliziumkarbid die Kohlenstofffläche häufig als eine Wachstumsfläche verwendet.
Wird ein Siliziumkarbidsubstrat durch Schneiden eines Siliziumkarbid-Einkristalls, der wie zuvor beschrieben erhalten wird, in einer Ebene, die sich mit der Wachstumsrichtung schneidet, hergestellt, ist die Gitterkonstante in einem Bereich in der Nähe der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche größer als die Gitterkonstante in einem Bereich in der Nähe der siliziumflächenseitigen Hauptfläche. Wird insbesondere der Siliziumkarbid-Einkristall in einer Ebene in der Nähe einer Richtung senkrecht zu der Wachstumsrichtung geschnitten, wenn der Siliziumkarbid-Einkristall so geschnitten wird, dass ein Abweichungswinkel der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche bezogen auf eine {0001}-Ebene kleiner als oder gleich 4° ist, nimmt die Differenz zwischen der Gitterkonstante in dem Bereich in der Nähe der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der Gitterkonstante in dem Bereich der Nähe der siliziumflächenseitigen Hauptfläche zu. Folglich tritt eine Zugspannung in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche und eine Druckspannung in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche auf. Die Zugspannung und die Druckspannung bewirken eine Wölbung des Siliziumkarbidsubstrats. Ist insbesondere der Durchmesser des Siliziumkarbidsubstrats groß, d.h., ist der Durchmesser beispielsweise größer als oder gleich 100 mm ist, wird die Erzeugung der Wölbung ein Problem. In Reaktion darauf werden gemäß der Untersuchung des Erfinders durch Erzeugen eines Zustands, in dem die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche höher als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche ist, die zuvor beschriebene Zugspannung und Druckspannung verringert und die Wölbung verhindert.
In dem Siliziumkarbidsubstrat der vorliegenden Erfindung ist die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche höher als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche, und die Differenz zwischen der Raman-Peak-Verschiebung in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der Raman-Peak-Verschiebung in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche wird auf weniger als oder gleich 0,2 cm^-1 verringert. Ist somit die Zugspannung vorhanden, verschiebt sich der Raman-Peak auf die positive Seite, während in dem Fall, in dem die Druckspannung vorhanden ist, sich der Raman-Peak auf die negative Seite verschiebt. Mit anderen Worten wird in dem Siliziumkarbidsubstrat der vorliegenden Erfindung die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche auf einen höheren Wert eingestellt als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche, so dass die Zugspannung und die Druckspannung in dem Maße verringert werden, dass die Differenz der Raman-Verschiebung kleiner als oder gleich 0,2 cm^-1 ist. Somit kann gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat der vorliegenden Erfindung das Siliziumkarbidsubstrat bereitgestellt werden, das in der Lage ist, die Wölbung zu verringern.
Gemäß dem zuvor erwähnten Siliziumkarbidsubstrat kann die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche um 1 × 10¹⁶ cm^-3 oder mehr auf einen höheren Wert eingestellt werden als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche. Dadurch kann die Erzeugung einer Wölbung zuverlässig verhindert werden.
In dem zuvor erwähnten Siliziumkarbidsubstrat kann die Differenz zwischen der Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁷ cm^-3 sein. Somit kann die Differenz zwischen der Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche in geeigneter Weise eingestellt werden.
In dem zuvor erwähnten Siliziumkarbidsubstrat kann die Stickstoffkonzentration mit abnehmendem Abstand von der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche in der Dickenrichtung zunehmen. Dadurch kann wirksam eine Verringerung der Wölbung erzielt werden.
In dem zuvor erwähnten Siliziumkarbidsubstrat kann der Durchmesser größer als oder gleich 150 mm sein. Das Siliziumkarbidsubstrat der vorliegenden Erfindung ist für ein Siliziumkarbidsubstrat mit einem großen Durchmesser geeignet, das sich wahrscheinlich verformt.
Hierin wird in der {0001}-Ebene (c-Ebene) des hexagonalen Siliziumkarbids die Oberfläche, in der die Siliziumatome in der äußersten Fläche angeordnet sind, als eine Siliziumfläche definiert, und die Fläche, in der Kohlenstoffatome in der äußersten Fläche angeordnet sind, als eine Karbidoberfläche definiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche eine Hauptfläche, die aus einer Kristallfläche hergestellt ist, die hauptsächlich aus einer Kohlenstofffläche gebildet ist. Die siliziumflächenseitige Hauptfläche ist eine Hauptfläche, die aus einer Kristallfläche hergestellt ist, die hauptsächlich aus einer Siliziumfläche besteht. Darüber hinaus ist die Raman-Peak-Verschiebung in der vorliegenden Erfindung eine Peak-Verschiebung eines Raman-Peaks von FTO(2/4)E2 (Wellenzahl 776 cm^-1).
[Einzelheiten der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Im Nachfolgenden wird eine Ausführungsform eines Siliziumkarbidsubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass in der Erläuterung der Zeichnungen gleiche oder sich entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und eine Beschreibung derselben nicht wiederholt wird.
Mit Bezug auf 1 umfasst ein Siliziumkarbidsubstrat 9 der vorliegenden Ausführungsform eine kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche 91 und eine siliziumflächenseitige Hauptfläche 92. Das Siliziumkarbidsubstrat 9 ist aus einem Siliziumkarbid-Einkristall mit einer 4H-Kristallstruktur gebildet. Ein Abweichungswinkel der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 bezogen auf eine {0001}-Kristallebene aus Siliziumkarbid, das das Siliziumkarbidsubstrat 9 bildet, ist kleiner als oder gleich 4°. Mit anderen Worten ist der Winkel, der zwischen der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 und der {0001}-Ebene gebildet wird, kleiner als oder gleich 4°.
Mit Bezug auf 1 und 2 hat das Siliziumkarbidsubstrat 9 eine scheibenartige Form. Der Durchmesser des Siliziumkarbidsubstrats 9 ist größer als oder gleich 100 mm. Der Durchmesser des Siliziumkarbidsubstrats 9 kann größer als oder gleich 150 mm sein. Das Siliziumkarbidsubstrat 9, das einen größeren Durchmesser aufweist, ermöglicht die effiziente Herstellung von Halbleitervorrichtungen unter Verwendung des Siliziumkarbidsubstrats 9 (Dioden, Feldeffekttransistoren und dergleichen). Die Dicke des Siliziumkarbidsubstrats 9 (der Abstand zwischen der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92) ist größer als oder gleich 300 µm. Die Dicke des Siliziumkarbidsubstrats 9 kann kleiner als oder gleich 600 µm sein.
Somit ist die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 höher als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92, und die Differenz zwischen der Raman-Peak-Verschiebung in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und der Raman-Peak-Verschiebung in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 ist kleiner als oder gleich 0,2 cm^-1. Die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 ist höher als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92, wodurch bewirkt wird, dass die Differenz zwischen der Raman-Peak-Verschiebung in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und der Raman-Peak-Verschiebung in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 kleiner als oder gleich 0,2 cm^-1 ist.
In dem Siliziumkarbidsubstrat 9 der vorliegenden Ausführungsform ist die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 höher eingestellt als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92, so dass eine Druckspannung in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und eine Zugspannung in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 in dem Ausmaß abnehmen, dass die Differenz zwischen der Raman-Peak-Verschiebung in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und der Raman-Peak-Verschiebung in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 kleiner als oder gleich 0,2 cm^-1 ist. Folglich wird aus dem Siliziumkarbidsubstrat 9 der vorliegenden Ausführungsform ein Siliziumkarbidsubstrat mit verringerter Wölbung.
Beispielsweise können hierin die Raman-Peak-Verschiebungen in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 wie folgt untersucht werden. Mit Bezug auf 2 wird davon ausgegangen, dass es gerade Linien gibt, die sich in dem Mittelpunkt der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 (oder der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92) senkrecht zueinander schneiden (siehe gepunktete Linien in 2). Ferner wird angenommen, dass die geraden Linien mit dem Rand der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 (oder der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92) Schnittpunkte bilden. Dann werden die Raman-Peak-Verschiebungen an insgesamt neun Positionen gemessen, einschließlich vier Messbereichen 99C, die den Punkten entsprechen, die auf den geraden Linien und 10 cm innerhalb der Schnittpunkte mit dem Rand liegen, einem Messbereich 99A, der der Mitte entspricht und vier Messbereiche 99B, die den Mittelpunkten des Messbereichs 99A und der Messbereiche 99C auf der geraden Linie entsprechen. Anschließend wird der Mittelwert als Raman-Peak-Verschiebung der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 (oder der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92) festgelegt.
In dem Siliziumkarbidsubstrat 9 wird vorzugsweise die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 um 1 × 10¹⁶ cm^-3 oder mehr höher eingestellt als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92. Dadurch wird die Erzeugung einer Wölbung zuverlässiger verhindert. Die Differenz zwischen der Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und der Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 kann 1 × 10¹⁷ cm^-3 oder weniger betragen.
Darüber hinaus nimmt die Stickstoffkonzentration vorzugsweise mit abnehmendem Abstand von der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und mit dem zunehmenden Abstand von der Siliziumoberfläche 92 in der Dickenrichtung des Siliziumkarbidsubstrats 9 zu. Somit kann wirksam eine Verringerung der Wölbung erzielt werden. Die Stickstoffkonzentration kann mit abnehmendem Abstand von der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und mit zunehmendem Abstand von der Siliziumfläche 92 in der Dickenrichtung des Siliziumkarbidsubstrats 9 schrittweise zunehmen. Ferner kann die Stickstoffkonzentration mit abnehmendem Abstand von der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und mit zunehmendem Abstand von der Siliziumfläche 92 in der Dickenrichtung des Siliziumkarbidsubstrats 9 kontinuierlich zunehmen.
Als nächstes wird ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 9 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 3 bis 5 beschrieben. In dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 9 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird unter Verwendung einer Herstellungsvorrichtung 100 eines Einkristalls, wie in 4 gezeigt, ein Siliziumkarbid-Einkristall erzeugt. Mit Bezug auf 4 umfasst die Herstellungsvorrichtung 100 des Einkristalls einen Tiegel 1, wärmeisolierende Elemente 21, 22, 23, Strahlungsthermometer 71, 72 und eine Induktionsheizspule 74.
Der Tiegel 1 ist aus einem durch Induktionsheizung erhitzbaren Material, wie beispielsweise Graphit, hergestellt. Der Tiegel 1 umfasst einen Umfangswandabschnitt 11, einen Bodenwandabschnitt 12 und einen Deckelabschnitt 13. Der Umfangswandabschnitt 11 hat eine Zylinderform. Der Bodenwandabschnitt 12 ist mit dem Umfangswandabschnitt 11 verbunden und verschließt eine Öffnung auf einer Seite des Umfangswandabschnitts 11. Der Deckelabschnitt 13 ist mit dem Umfangswandabschnitt 11 verbunden, verschließt die Öffnung auf der anderen Seite des Umfangwandabschnitts 11 und umfasst einen Halteabschnitt 14, um einen Impfkristall 51 zu halten. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist der Umfangswandabschnitt 11 eine Hohlzylinderform auf. Der Bodenwandabschnitt 12 hat eine Scheibenform. Der Umfangswandabschnitt 11 und der Bodenwandabschnitt 12 sind einstückig ausgebildet.
Der Deckelabschnitt 13 ist an dem Umfangswandabschnitt 11 befestigbar und von diesem abnehmbar. Eine Deckelabschnittverbindungsfläche 13A, die an einem Außenumfang des Deckelabschnitts 13 ausgebildet ist, und eine Umfangswandabschnittverbindungsfläche 11A, die an einem Innenumfang des Umfangswandabschnitt 11 ausgebildet ist, berühren einander, und dadurch wird der Deckelabschnitt 13 an dem Umfangswandabschnitt 11 befestigt. Zum Beispiel können Schraubengewindenuten in der Deckelabschnittverbindungsfläche 13A und der Umfangswandabschnittverbindungsfläche 11A ausgebildet sein. In einer Hauptfläche auf einer Seite des Deckelabschnitts 13 ist ein Halteabschnitt 14 ausgebildet, der von einem mittleren Abschnitt der Hauptfläche vorsteht. Der Halteabschnitt 14 ist derart angeordnet, dass er eine Mittelachse α aufweist, wenn der Deckelabschnitt 13 an dem Umfangswandabschnitt 11 befestigt ist. Die Mittelachse α entspricht einer Mittelachse des Umfangswandabschnitts 11. An einem vorderen Ende des Halteabschnitts 14 ist eine Haltefläche 14A ausgebildet, um einen Impfkristall zu halten.
Die wärmeisolierenden Elemente 21, 22, 23 sind beispielsweise aus formgepressten wärmeisolierenden Elementen gebildet. Die wärmeisolierenden Elemente 21, 22, 23 haben beispielsweise eine filzartige Struktur und sind aus einer Faser gebildet, die hauptsächlich aus Carbon gebildet ist. Das wärmeisolierende Element 22 hat eine scheibenartige Form. Der Tiegel 1 ist derart auf dem wärmeisolierenden Element 22 angeordnet, dass eine Außenfläche 12B des Bodenwandabschnitts 12 eine erste Hauptfläche 22B des wärmeisolierenden Elements 22 berührt. Das wärmeisolierende Element 21 hat eine Hohlzylinderform. Das wärmeisolierende Element 21 ist angeordnet, um eine Außenfläche 11B des Umfangswandabschnitts 11 des Tiegels 1 vollständig zu bedecken. Das isolierende Element 23 ist an einer Außenfläche 13B des Deckelabschnitts 13 angeordnet, um die Außenfläche 13B des Deckelabschnitts 13 des Tiegels 1 zu bedecken. Der Tiegel 1 ist von den wärmeisolierenden Elementen 21, 22, 23 umgeben.
Ein Durchgangsloch 22A, das das wärmeisolierende Element 22 in der Dickenrichtung durchdringt, ist in einem Bereich, der eine Mittelachse α in dem wärmeisolierenden Element 22 enthält, ausgebildet. Das Strahlungsthermometer 71 ist so angeordnet, dass es dem Bodenwandabschnitt 12 des Tiegels 1 über das Durchgangsloch 22A zugewandt ist. Die Temperatur des Bodenwandabschnitts 12 wird mit dem Strahlungsthermometer 71 gemessen, um so die Temperatur des Basispulvers 52 erhalten. Ein Durchgangsloch 23A, das das wärmeisolierende Element 23 in der Dickenrichtung durchdringt, ist in einem Bereich ausgebildet, der die Mittelachse α in dem wärmeisolierenden Element 23 enthält. Das Strahlungsthermometer 72 ist angeordnet, dass es dem Deckelabschnitt 13 des Tiegels 1 über das Durchgangsloch 23A zugewandt ist. Die Temperatur des Deckelabschnitts 13 wird mit dem Strahlungsthermometer 72 gemessen, wodurch die Temperatur des Keimkristalls 51 erhalten wird.
Die Induktionsheizspule 74 ist derart angeordnet, dass sie die Seite der Außenfläche 11B des Umfangswandabschnitts 11 des Tiegels 1, der mit dem wärmeisolierenden Element 21 bedeckt ist, spiralförmig umgibt. Die Induktionsheizspule 74 ist mit einer Stromquelle verbunden (nicht in den Zeichnungen dargestellt). Der Tiegel 1, der mit den wärmeisolierenden Elementen 21, 22, 23 bedeckt ist, ist in einem Bereich angeordnet, der von der Induktionsheizspule 74 umgeben ist.
Im Nachfolgenden wird ein spezielles Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats beschrieben. Mit Bezug auf 3 wird in dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Basispulver-Anordnungsschritt als ein Schritt (S10) durchgeführt. In diesem Schritt (S10) wird, mit Bezug auf 4, das Basispulver 52 in Kontakt mit einer Innenfläche 12A des Bodenwandabschnitts 12 des Tiegels 1 angeordnet. Genauer gesagt, wird das Basispulver 52 aus Siliziumkarbid in einem Zustand, in dem der Deckelabschnitt 13 entfernt ist, in dem Tiegel 1 angeordnet.
Anschließend wird ein Impfkristall-Anordnungsschritt als ein Schritt (S20) durchgeführt. In diesem Schritt (S20) wird der Impfkristall 51 auf dem Halteabschnitt 14 angeordnet. Der Impfkristall 51 ist aus Siliziumkarbid mit einer 4H-Kristallstruktur gebildet. Genauer gesagt wird der Impfkristall 51 beispielsweise an dem Halteabschnitt 14 des Deckelabschnitts 13, der von dem Umfangswandabschnitt 11 entfernt ist, befestigt. Der Impfkristall 51 wird an der Haltefläche 14A des Halteabschnitts 14 befestigt. Dabei ist eine Wachstumsfläche 51A des Impfkristalls 51 eine Kohlenstofffläche. Anschließend wird der Deckelabschnitt 13 an dem Umfangswandabschnitt 11 befestigt. Dabei wird der Impfkristall 51 in dem Bereich angeordnet, der sich mit der Mittelachse α schneidet. Durch die Schritte (S10) bis (S20) werden das Basispulver 52 und der Impfkristall 51 in dem Tiegel 1 angeordnet.
Anschließend wird ein Sublimations-Rekristallisationsschritt als ein Schritt (S30) durchgeführt. In diesem Schritt (S30) wächst ein Einkristall 53 auf dem Impfkristall 51 durch Sublimieren und Rekristallisieren des Basispulvers 52 auf dem Impfkristall 51. Genauer gesagt, ist beispielsweise der Tiegel 1, in dem das Basispulver 52 und der Impfkristall 51 angeordnet sind, mit den wärmeisolierenden Elementen 21, 22, 23 bedeckt. Ferner ist der Tiegel 1, der mit den wärmeisolierenden Elementen 21, 22, 23 bedeckt ist, in dem Bereich angeordnet, der von der Induktionsheizspule 74, wie in 4 gezeigt, umgeben ist. Fließt somit ein Hochfrequenzstrom durch die Induktionsheizspule 74, wird der Tiegel 1 mittels Induktionsheizung erhitzt.
Dabei wird das Induktionsheizen so durchgeführt, dass die Temperatur des Basispulvers 52 höher als die Temperatur des Impfkristalls 51 ist. Folglich bildet sich der Temperaturgradient, der auf der Seite des Impfkristalls 51 niedrig ist und auf der Seite des Basispulvers hoch ist, entlang der Mittelachse a, die die Wachstumsrichtung angibt. Genauer gesagt, kann beispielsweise die Temperatur des Impfkristalls 51 höher als oder gleich 2000° C und niedriger als oder gleich 2300° C sein. Die Temperatur des Basispulvers 52 kann höher als oder gleich 2100° C und niedriger als oder gleich 2400° C sein. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Impfkristall 51 und dem Basispulver 52 kann höher als oder gleich 100° C und niedriger als oder gleich 400° C sein. Darüber hinaus kann der Druck in dem Tiegel 1 beispielsweise höher als oder gleich 1 kPa und niedriger als oder gleich 5 kPa sein. Die Innenseite des Tiegels 1 umfasst eine Atmosphäre, die mit einem Inertgas, wie beispielsweise Argon, gefüllt ist. Ferner wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform Stickstoffgas in den Tiegel 1 eingebracht. Die Einführungsmenge (Strömungsrate) von Stickstoffgas in den Tiegel 1 wird so eingestellt, dass diese mit der Zeit zunimmt. Die Einführungsmenge von Stickstoffgas kann schrittweise oder kontinuierlich erhöht werden.
Dadurch sublimiert das Basispulver 52, das ein Siliziumkarbidpulver ist, wodurch sich ein Ausgangsgas, das Siliziumkarbid im Gaszustand ist, erzeugt. Das Ausgangsgas wird dem Impfkristall 51 zugeführt. Folglich rekristallisiert das Ausgangsgas, wie in 5 gezeigt, auf dem Impfkristall 51, wodurch ein Einkristall 53 aus Siliziumkarbid mit einer 4H-Kristallstruktur auf dem Impfkristall 51 wächst. Stickstoff wird in den Einkristall 53 eingebracht.
Das Vorhandensein des zuvor erwähnten Temperaturgradienten bewirkt, dass eine Wachstumstemperatur eines Bereichs, der später gewachsen wurde, höher als eine Wachstumstemperatur eines Bereichs ist, der vorher in dem Einkristall 53, der ein Siliziumkarbid-Einkristall ist, gewachsen wurde. Wenn keine Maßnahmen getroffen werden, wird somit die Gitterkonstante des Bereichs, der später wächst, größer als die Gitterkonstante des Bereichs, der in dem Einkristall 53 vorher wächst. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform nimmt die Stickstoffgasmenge, die in dem Tiegel 1 eingeleitet wird, mit der Zeit zu, wie zuvor beschrieben. Somit wird in dem Einkristallsubstrat 53 die Stickstoffkonzentration in dem Bereich, der später wächst, höher als die Stickstoffkonzentration in dem Bereich, der vorher wächst. Je höher die in das Siliziumkarbid eingebrachte Stickstoffkonzentration ist, desto kleiner wird die Gitterkonstante von Siliziumkarbid. Folglich wird die Änderung der Gitterkonstante des Einkristalls 53 verhindert. Durch Beibehalten dieses Zustands wächst anschließend der Einkristall 53 in der Richtung entlang der Mittelachse α. Der Heizschritt endet dann, wenn eine zuvor eingestellte Heizdauer verstrichen ist, wodurch der Schritt (S30) endet.
Als Nächstes wird ein Schneideschritt als ein Schritt (S40) durchgeführt. In diesem Schritt S40) wird der Einkristall 53, der in dem Tiegel 1 in dem Schritt (S30) gewachsen wurde, aus dem Tiegel 1 entfernt und geschnitten. Genauer gesagt wird nach Beendigung des Heizschritts (S30) der Tiegel 1 aus dem Bereich entfernt, der von der Induktionsheizspule 74 umgeben ist. Danach wird der Deckelabschnitt 13 des Tiegels 1 entfernt. Anschließend wird der Einkristall 53 von dem Deckelabschnitt 13 abgenommen. Der erhaltene Einkristall 53 wird geschnitten, um eine Hauptfläche zu bilden, die einen Winkel von 4° oder kleiner bezogen auf eine {0001}-Ebene aufweist. Folglich wird mit Bezug auf 1 das Siliziumkarbidsubstrat 9 mit der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92, deren Abweichungswinkel bezogen auf die {0001}-Ebene kleiner als oder gleich 4° ist, erhalten.
Als nächstes wird, wie in 3 gezeigt, ein Oberflächenplanarisierungsschritt als ein Schritt (S50) durchgeführt. In diesem Schritt (S50) wird die kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche 91 und/oder die siliziumflächenseitige Hauptfläche 92 des Siliziumkarbidsubstrats 9, das in dem Schritt (S40) erhalten wurde, eingeebnet. Genauer gesagt, wird ein Planarisierungsschritt, wie beispielsweise MP (mechanisches Polieren) und CMP (chemisch-mechanisches Polieren) auf der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und/oder der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 durchgeführt. Anschließend wird das Siliziumkarbidsubstrat 9 der vorliegenden Ausführungsform durch Durchführen eines Reinigungsschritts und dergleichen erhalten.
In dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie zuvor beschrieben, wächst ein Einkristall 53, während die Kohlenstofffläche als die Wachstumsfläche dient. Darüber hinaus nimmt die Stickstoffgasmenge, die in den Tiegel 1 eingeführt wird, mit der Zeit zu. Dies bewirkt, dass die Stickstoffkonzentration in dem Bereich, der später gewachsen wurde, höher ist als die Stickstoffkonzentration in dem Bereich, der zuvor in dem Einkristall 53 gewachsen wurde. Dadurch wird eine Erhöhung der Gitterkonstante zusammen mit der Temperaturänderung verhindert. Anschließend wird der erhaltene Einkristall 53 in dem Schritt (S40) geschnitten. Folglich kann das Siliziumkarbidsubstrat 9 hergestellt werden, indem die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 höher als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 ist, und indem die Differenz zwischen der Raman-Peak-Verschiebung in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche 91 und der Raman-Peak-Verschiebung in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche 92 kleiner als oder gleich 0,2 cm^-1 ist.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen und Arbeitsbeispiele der Veranschaulichung dienen und in keinerlei Hinsicht als einschränkend zu erachten sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird vielmehr durch die Begriffe der Ansprüche und nicht durch die zuvor beschriebenen Ausführungsformen definiert und soll jegliche Modifikationen innerhalb des Umfangs und der Bedeutung umfassen, die den Begriffen der Ansprüche entsprechen.
Bezugszeichenliste

1: Tiegel
11: Umfangswandabschnitt
11A: Umfangswandabschnittverbindungsfläche
11B: Außenfläche
12: Bodenwandabschnitt
12A: Innenfläche
12B: Außenfläche
13: Deckelabschnitt
13A: Deckelabschnittverbindungsfläche
13B: Außenfläche
14: Halteabschnitt
14A: Haltefläche
21, 22, 23: wärmeisolierende Elemente
22A, 23A: Durchgangsloch
22B: erste Hauptfläche
51: Impfkristall
51A: Wachstumsfläche
52: Basispulver
53: Einkristall
71, 72: Strahlungsthermometer
74: Induktionsheizspule
9: Siliziumkarbidsubstrat
91: kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche
92: siliziumflächenseitige Hauptfläche
99A, 99B, 99C: Messbereich
100: Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015203995 [0002]
JP 948688 [0003]
JP 201335705 [0003]

Claims

Siliziumkarbidsubstrat, umfassend: eine kohlenstoffflächenseitige Hauptfläche; eine siliziumflächenseitige Hauptfläche, wobei das Siliziumkarbidsubstrat eine 4H-Kristallstruktur aufweist und Stickstoff enthält, wobei das Siliziumkarbidsubstrat einen Durchmesser von 100 mm oder mehr und eine Dicke von 300 µm oder mehr aufweist, wobei ein Abweichungswinkel der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der siliziumflächenseitigen Hauptfläche relativ zu einer {0001}-Ebene kleiner als oder gleich 4° ist, und wobei eine Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche höher als eine Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche ist, und eine Differenz zwischen einer Raman-Peak-Verschiebung der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und einer Raman-Peak-Verschiebung der siliziumflächenseitigen Hauptfläche kleiner als oder gleich 0,2 cm^-1 ist.
Siliziumkarbidsubstrat nach Anspruch 1, wobei die Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche um 1 × 10¹⁶ cm^-3 höher als die Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche ist.
Siliziumkarbidsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Differenz zwischen der Stickstoffkonzentration in der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche und der Stickstoffkonzentration in der siliziumflächenseitigen Hauptfläche kleiner als oder gleich 1×10¹⁷ cm^-3 ist.
Siliziumkarbidsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stickstoffkonzentration mit abnehmendem Abstand von der kohlenstoffflächenseitigen Hauptfläche in einer Dickenrichtung zunimmt.
Siliziumkarbidsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Durchmesser größer als oder gleich 150 mm ist.